DE102009001612A1 - Apparatus for generating constant pulsation free fluid flow for micro-fluidic applications, comprises reservoir, which is impinged with compressed gas with constant gas pressure - Google Patents

Apparatus for generating constant pulsation free fluid flow for micro-fluidic applications, comprises reservoir, which is impinged with compressed gas with constant gas pressure Download PDF

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Abstract

The apparatus comprises a reservoir (1), which is impinged with a compressed gas (5) with constant gas pressure. The reservoir is connected with a drain pipe (7a-7h) in detachable manner for the flow of reaction fluid (6). A throttle (10a-10h) is arranged with specified flow resistance in the drain pipe. The quantity of the reaction fluid is determined by the flow resistance. The throttle has one or more capillaries, a fiber bundle or a fine porous body. The capillaries or fibers are made of glass, metal or plastic. The fine porous body is made of metal or plastic. An independent claim is also included for a method for generating a constant pulsation free fluid flow for micro-fluidic applications.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung konstanter pulsationsfreier Flüssigkeitsströme für Mikrofluidikanwendungen.object The invention relates to a method and an apparatus for producing constant pulsation-free liquid flows for microfluidic applications.

Mikrofluidische Anwendungen erlangen zunehmende Bedeutung in der Biochemie und der Chemie bei Produktionsanlagen und für analytische Zwecke. Vorteile der mikrofluidischen Anwendungen in der Analytik sind ihr geringer Platzbedarf und der niedrige Chemikalienverbrauch.microfluidic Applications are gaining in importance in biochemistry and the Chemistry in production plants and for analytical purposes. Advantages of microfluidic applications in analytics are her low space requirement and low chemical consumption.

Mikrofluidische Anwendungen befassen sich mit der Handhabung, Regelung und dem Verhalten von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten auf kleinstem Raum, typischerweise im Submillimeterbereich, z. B. ≤ 1 mm Durchmesser für Kanäle, in denen die Flüssigkeit geführt wird, Reaktionen erfolgen usw.microfluidic Applications deal with the handling, regulation and behavior of Fluids, especially liquids in the smallest space, typically in the submillimeter range, e.g. B. ≤ 1 mm diameter for channels where the liquid guided, reactions etc.

Die analytische Überwachung kontinuierlicher Prozesse erfolgt vorzugsweise durch eine kontinuierliche Titration. Eine kontinuierliche Analyse erfordert auch eine kontinuierliche Zufuhr der Probe und des Titriermittels. Die kontinuierliche Zufuhr erfordert geeignete Pumpen. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Titration ist in DE 101 21 960 C1 beschrieben.The analytical monitoring of continuous processes is preferably carried out by a continuous titration. A continuous analysis also requires a continuous supply of the sample and the titrant. The continuous supply requires suitable pumps. A method and an apparatus for continuous titration is in DE 101 21 960 C1 described.

Auch bei mikrofluidischen Anwendungen erfolgt der Transport der Probe und des Titriermittels durch Pumpen. Für hochpräzise kontinuierliche Anwendungen muss über einen größeren Zeitraum ein bzw. mehrere sehr konstante Fluidströme erzeugt werden.Also in microfluidic applications, the sample is transported and the titrant by pumping. For high precision continuous applications must have a larger one Period one or more very constant fluid flows are generated.

Für die Erzeugung von Flüssigkeitsströmen sind folgende Pumpenarten bekannt:
Kolben- oder Spritzenpumpen mit einem relativ kleinen Vorratsvolumen für das Reagenz von bis zu 20 ml, maximal 50 ml. Spritzenpumpen zeichnen sich durch eine gute Dosiergenauigkeit und Reproduzierbarkeit aus. Die Bewegung des Spritzenkolbens erfolgt meistens mittels eines Schrittmotors, daher erfolgt die Dosierung des Reagenz pulsierend. Ist die Spritze leer, muss sie neu gefüllt werden, was bei den kleinen Vorratsvolumina zu häufigen Unterbrechungen führt. Müssen viele Fluidströme gleichzeitig erzeugt werden, werden räumlicher Aufwand und Kosten unangemessen hoch.
For the generation of liquid streams, the following pump types are known:
Piston or syringe pumps with a relatively small supply volume for the reagent of up to 20 ml, maximum 50 ml. Syringe pumps are characterized by a good dosing accuracy and reproducibility. The movement of the syringe plunger is usually carried out by means of a stepper motor, therefore, the dosage of the reagent is pulsating. If the syringe is empty, it must be refilled, which leads to frequent interruptions in the small storage volumes. If many fluid streams have to be generated at the same time, the outlay on space and costs will be unduly high.

Membranpumpen sind preiswerte Pumpen, die in der jüngeren Vergangenheit speziell für mikrofluidische Systeme entwickelt wurden. Sie fördern Drehzahl- oder Frequenz-gesteuert kleine Flüssigkeitsmengen entsprechend dem Membranhub. Allerdings entstehen konstruktionsbedingt stark pulsierende Flüssigkeitsströme. Ein weiterer Nachteil der Membranpumen ist eine starke Abhängigkeit der Fördermenge vom Gegendruck im Mikrofluidik-System.diaphragm pumps are cheap pumps in the recent past specially developed for microfluidic systems. They promote speed or frequency-controlled small amounts of liquid according to the membrane stroke. However, they are caused by design strongly pulsating liquid flows. Another Disadvantage of the diaphragm pumae is a strong dependence the flow rate from the back pressure in the microfluidic system.

Peristaltik- oder Schlauchpumpen befördern Flüssigkeiten durch gegenüber dem Fluid resistente elastische Schläuche. Mit ihnen lassen sich auch kleine Fördermengen, auch mehrkanalig, fördern. Allerdings werden auch hier konstruktionsbedingt pulsierende Fluidströme erzeugt. Darüber hinaus sind Schlauchpumpen teuer in der Anschaffung.Peristalsis- or peristaltic pumps carry liquids through Fluid resistant elastic tubing. With them, even small flow rates, even multi-channel, promote. However, also here are design-related generates pulsating fluid flows. Furthermore Peristaltic pumps are expensive to buy.

Zahnrad- und Zahnringpumpen sind in der Mikofluidik ebenfalls gebräuchlich. Mit ihnen lassen sich auch hohe Gegendrücke überwinden, wenn die Fördermenge ausreichend groß ist. Allerdings fördern sie Flüssigkeiten ebenfalls nur pulsierend, sind teuer und nur in einer begrenzten Zahl von Werkstoffen erhältlich, so dass es möglicherweise bei aggressiven Reagentien zu Korrosionsproblemen kommen kann.Gear- and gerotor pumps are also common in microfluidics. They can also be used to overcome high back pressures if the delivery is sufficiently large. Indeed they also only pump liquids in a pulsating, are expensive and only available in a limited number of materials, so it may be aggressive with reagents too Corrosion problems can occur.

Alle diese Pumpen weisen Nachteile auf, wenn preiswert pulsationsfreie Flüssigkeitsströme, insbesondere auch in mehreren Kanälen erzeugt werden sollen.All These pumps have disadvantages when inexpensive pulse-free Liquid streams, especially in several Channels to be generated.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine preiswerte Vorrichtung und ein Verfahren zu finden, mit dem konstante und pulsationsfreie Flüssigkeitsströme für Mikrofluidikanwendungen, insbesondere für analytische Zwecke, erzeugt werden können.The The object of the invention is an inexpensive device and to find a method with the constant and pulsation-free Fluid streams for microfluidic applications, especially for analytical purposes.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Vorrichtung sowie das Verfahren gelöst.These Task is described by the in the claims Device and the method solved.

Die Flüssigkeitsströme werden dadurch erzeugt, dass ein in einem Vorratsbehälter befindliches Flüssigkeitsvolumen mit einem Druckgas mit konstantem Druck beaufschlagt wird und die Menge der pro Zeiteinheit durch eine oder mehrere Abflussleitungen aus dem Vorratsbehälter strömenden Flüssigkeit durch eine in der jeweiligen Abflussleitung befindliche Drossel mit bekanntem Strömungswiderstand bestimmt wird.The Liquid streams are generated by that a liquid volume located in a reservoir is pressurized with a pressurized gas at a constant pressure and the Amount of per unit time by one or more drain lines from the reservoir flowing liquid through a throttle located in the respective outflow line is determined with known flow resistance.

Die Flüssigkeitsmenge, die pro Zeiteinheit durch eine Kapillare strömt, hängt von der Geometrie der Kapillare, der Viskosität der Flüssigkeit und vom Differenzdruck zwischen Kapillarenein- und -ausgang ab.The Amount of liquid per unit of time through a capillary depends, depends on the geometry of the capillary, the viscosity of the liquid and the differential pressure between capillary inlet and outlet.

Die Fließgeschwindigkeit v einer (Newton'schen) Flüssigkeit mit der dynamischen Viskosität η (eta) in einer Kapillare mit dem Radius r und der Länge l bei einer Druckdifferenz Δp ist gegeben durch das Hagen-Poiseuillesche Gesetz /1/ v = π·r4·Δp/(8·I·η) /1/ The flow velocity v of a (Newtonian) liquid with the dynamic viscosity η (eta) in a capillary with the radius r and the length l at a pressure difference Δp is given by the Hagen-Poiseuille law / 1 / v = π · r 4 Δp / (8 * I * η) / 1 /

Der Term f = (π·r4)/(8·I) ist ein Formfaktor, der durch die Geometrie der Kapillare gegeben ist und einem Widerstand bzw. einer Drossel entspricht. Wählt man einen Drosselwiderstand, der 10 bis > 100 mal höher als der Widerstand des Fluidiksystems ist, in den die Flüssigkeit gepumpt werden soll, so wird die Größe des Flüssigkeitsstromes im Wesentlichen durch den Drosselwiderstand bestimmt, mit anderen Worten, Druckschwankungen im Fluidiksystem haben keinen Einfluss mehr auf die Menge der durch die Drossel gepumpten Flüssigkeit. Die Menge der durch die Drossel strömenden Flüssigkeit pro Zeiteinheit bleibt konstant (bei konstantem Druckgasdruck). Gleichung /1/ kann vereinfacht werden zu v = f·(1/η)·Δp /2/ The term f = (π * r 4 ) / (8 * I) is a shape factor given by the geometry of the capillary and corresponds to a resistance or a choke. If one chooses a throttle resistance, which is 10 to> 100 times higher than the resistance of the fluidic system, in which the liquid is to be pumped, the size of the liquid flow is essentially determined by the throttle resistance, in other words, pressure fluctuations in the fluidic system have no effect more on the amount of fluid pumped through the throttle. The amount of liquid flowing through the throttle per unit time remains constant (at constant pressure gas pressure). Equation / 1 / can be simplified too v = f · (1 / η) · Δp / 2 /

Fasst man den Formfaktor f und den Kehrwert der Viskosität der zu fördernden Flüssigkeit als einen Kennwert k zusammen, gilt eine einfache proportionale Beziehung zwischen der Druckdifferenz und der Fließgeschwindigkeit v = k·Δp /3/ Summarizing the shape factor f and the reciprocal of the viscosity of the liquid to be delivered as a characteristic k, a simple proportional relationship between the pressure difference and the flow rate applies v = k · Δp / 3 /

Bevorzugt wählt man einen Drosselwiderstand, der mindestens 10-mal höher, vorzugsweise über 100-mal höher ist als der Widerstand des Fluidiksystems, in das die Flüssigkeit gepumpt wird. Für einfache Analysen mit einer Genauigkeit von 1% bis 5% reichen Drosselwiderstände, die 50 bis 100-mal höher sind, für hochpräzise Analysen 0,5 bis 0,1% sollte der Drosselwiderstand 1.00- bis 1000-mal höher sein. Bevorzugt werden Drosselwiderstände, die 100 bis 500-mal höher als der Widerstand des Fluidiksystems sind. Wird der Drosselwiderstand mehr als 1000-mal höher als der Widerstand des Fluidiksystems, so nimmt die Menge der durch die Drossel strömenden Flüssigkeit immer mehr ab, so dass die Analysengenauigkeit leiden kann.Prefers you choose a choke resistance that is at least 10 times higher, preferably over 100 times higher is considered the resistance of the fluidic system in which the fluid is pumped. For simple analyzes with accuracy from 1% to 5%, choke resistances are 50 to 100 times higher for high-precision analysis should be 0.5 to 0.1% the throttle resistance is 1.00- 1000 times higher. Prefers Throttling resistors are 100 to 500 times higher than the resistance of the fluidic system. Will the throttle resistance more than 1000 times higher than the resistance of the fluidic system, so does the amount of liquid flowing through the restrictor more and more, so that the accuracy of analysis can suffer.

Die Beaufschlagung des Flüssigkeitsvolumens in dem Vorratsbehälter mit Druckgas kann aus einer mit einem gegenüber der Titrierlösung und der Probe inerten Gas gefüllten Druckgasflasche, z. B. einer Stickstoffflasche, einer Argonflasche, einer Sauerstoffflasche oder aus einem Druckgasnetz erfolgen, wobei der hohe Druck von bis zu ca. 200 bar in diesen Flaschen über ein geeignetes präzises Druckminderventil auf einen geeigneten Arbeitsdruck reduziert wird. Bei den üblicherweise in Laboratorien verwendeten Glasgefäßen und den für Mikroreaktoren verwendeten sonstigen Materialien, z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat), COC (Cyclo-Olefin-Copolymer), PC (Polycarbonat) haben sich Drücke von 1 bis 6 bar für die Beaufschlagung des Flüssigkeitsvolumens in dem Vorratsbehälter bewährt. Bei der Verwendung von Vorratsbehältern, Abflussleitungen und ggf. Drosseln aus Metall können selbstverständlich auch höhere Drücke von bis zu 200 bar Verwendung finden. Wegen ihrer Durchsichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit werden aber Vorrichtungen aus Glas oder Kunststoff bevorzugt.The Loading the liquid volume in the reservoir with pressurized gas can be one with one opposite the titration solution and the sample inert gas filled gas cylinder, z. B. a nitrogen cylinder, an argon bottle, an oxygen cylinder or from a pressurized gas network, the high pressure of up to to about 200 bar in these bottles via a suitable precise pressure reducing valve is reduced to a suitable working pressure. At the usual used in laboratories glass vessels and the used for microreactors other materials, eg. PMMA (polymethyl methacrylate), COC (cyclo-olefin copolymer), PC (Polycarbonate) have pressures of 1 to 6 bar for the admission of the liquid volume in the reservoir proven. When using storage containers, Of course, drain pipes and, if necessary, metal throttles can also be used higher pressures of up to 200 bar find use. Because of its transparency and corrosion resistance However, devices made of glass or plastic are preferred.

Eine besonders einfache und daher bevorzugte Methode ist die, den benötigten Druck im Vorratsgefäß durch Verdampfung einer niedrig siedenden gegenüber der Flüssigkeit im Vorratsbehälter inerten Flüssigkeit zu erzeugen, die in der Flüssigkeit nicht löslich ist und deren Sättigungsdampfdruck bei Raumtemperatur dem gewünschten Druck im Vorratsgefäß entspricht. In diesem Fall kann auf die Verwendung eines Druckminderventils verzichtet werden. Unter nicht löslich wird verstanden, dass sich nicht mehr als 1 Gew.-% der Flüssigkeit bzw. der Dämpfe in der im Vorratsbehälter befindlichen Flüssigkeit unter dem Druck des Gleichgewichtsdruckes lösen.A particularly simple and therefore preferred method is the one needed Pressure in the storage vessel by evaporation of a low boiling compared to the liquid in the Supply reservoir inert liquid to produce which is not soluble in the liquid and whose Saturation vapor pressure at room temperature the desired Pressure in the storage vessel corresponds. In this case can be dispensed with the use of a pressure reducing valve. Under insoluble it is understood that nothing more as 1 wt .-% of the liquid or vapors in the liquid in the reservoir release under the pressure of the equilibrium pressure.

Das Druckgas zur Beaufschlagung des Flüssigkeitsvolumens im Vorratsbehälter wird dem Behälter in der Regel über eine entsprechende Druckgasleitung zugeführt.The Compressed gas for pressurizing the liquid volume in the Reservoir is usually transferred to the container fed to a corresponding compressed gas line.

Bei der Verwendung von niedrig siedenden Flüssigkeiten zur Erzeugung des Druckgases kann die niedrig siedende Flüssigkeit so gewählt werden, dass ihr Gleichgewichtsdruck bei der Betriebstemperatur der Einrichtung, z. B. des Analysators, die in der Regel der Raumtemperatur entspricht, dem gewünschten Druck im Vorratsbehälter entspricht.at the use of low boiling liquids for Production of the compressed gas may be the low-boiling liquid be chosen so that their equilibrium pressure in the Operating temperature of the device, eg. B. of the analyzer, in usually the room temperature, the desired Pressure in the reservoir corresponds.

Geeignete niedrig siedende Flüssigkeiten sind z. B. n-Butan (Siedepunkt Kp = 0,5°C, Sättigungsdampf-Druck bei Raumtemperatur (20°C) (pRT = 2,08 bar), Methylchlorid CH3Cl (Kp –24°C), Butadien (Kp = –4,5°C), Cyclopropan (Kp = –33,5°C), Buten-(1) (Kp = –6,3°C), 2 Methyl Propen (Kp = –6,9°C), i-Butan (Kp = –12°C). Der Fachmann ist in der Lage, anhand seines Fachwissens noch zahlreiche andere geeignete Flüssigkeiten auszuwählen. Generelle Kriterien, die die Flüssigkeiten erfüllen müssen, sind, wie bereits erwähnt, keine Löslichkeit in der im Vorratsgefäß befindlichen Flüssigkeit, keine Reaktion mit der Flüssigkeit und aus gewerbehygienischen Gründen keine Toxizität. So sollte z. B. Vinylchlorid nicht benutzt werden, da es mit Wasser HCl entwickelt und cancerogen wirkt.Suitable low-boiling liquids are for. B. n-butane (boiling point Kp = 0.5 ° C, saturation vapor pressure at room temperature (20 ° C) (p RT = 2.08 bar), methyl chloride CH 3 Cl (bp -24 ° C), butadiene (bp = -4.5 ° C), cyclopropane (bp = -33.5 ° C), butene-1 (bp = -6.3 ° C), 2 methyl propene (bp = -6.9 ° C) i-butane (bp = -12 ° C.) The skilled person is able to select numerous other suitable liquids on the basis of his specialist knowledge General criteria which the liquids have to fulfill are, as already mentioned, no solubility in the Liquid, no reaction with the liquid and for reasons of industrial hygiene no toxicity, eg vinyl chloride should not be used as it develops HCl with water and is carcinogenic.

Besonders geeignet ist n-Butan, das bei 20°C einen Druck von 2.08 bar und bei 21°C einen Druck von 2,14 bar entwickelt, i-Butan mit einem Sättigungsdampfdruck von 3 bar bei 20°C oder Mischungen aus n- und i-Butan. Da sie eine geringere Dichte als Wasser besitzen, können sie direkt in den Vorratsbehälter gegeben werden, wo sie auf der Flüssigkeit schwimmen. Dadurch kann auf eine Druckleitung in den Behälter verzichtet werden und man kann „Einmal”-Vorratsbehälter herstellen bzw. benutzen, in der sich die Reaktionsflüssigkeit und die druckerzeugende Flüssigkeit gemeinsam befinden, so dass der Verbraucher ein besonders einfach zu handhabendes System besitzt, bei dem der Vorratsbehälter lediglich über eine geeignete Kupplung mit der Abflussleitung verbunden werden muss. Die Menge der druckerzeugenden Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter ist so zu bemessen, dass auch bei leerem Behälter noch die Voraussetzungen für die Erzeugung eines Gleichgewichtsdampfdruckes gegeben sind, d. h. dass noch druckerzeugende Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter vorhanden ist.Particularly suitable is n-butane, which develops a pressure of 2.08 bar at 20 ° C and a pressure of 2.14 bar at 21 ° C, i-butane with a saturation vapor pressure of 3 bar at 20 ° C or mixtures of n- and i-butane. Since they are lower in density than water, they can be added directly to the reservoir where they float on the liquid. As a result, it is possible to dispense with a pressure line in the container and it is possible to produce or use "disposable" containers in which the reaction liquid and the pressure are generated de fluid in common, so that the consumer has a particularly easy-to-use system in which the reservoir must be connected only via a suitable coupling with the drain line. The amount of pressure-generating liquid in the reservoir is to be dimensioned so that even with an empty container the conditions for the generation of an equilibrium vapor pressure are given, ie that still pressure-generating liquid is present in the reservoir.

Damit die Titrierflüssigkeit mit konstantem Volumenstrom und in eine für die Analytik-Anwendungen geeigneten Menge aus der Abflussleitung austritt, ist in der Abflussleitung eine Drossel vorhanden, die einen Strömungswiderstand darstellt und die das aus der Abflussleitung austretende Volumen pro Zeiteinheit auf den für die jeweilige Anwendung gewünschten und erforderlichen konstanten Volumenstrom von in der Regel 5 μl/h bis 100 μl/h einstellt.In order to the titration liquid with constant volume flow and in an amount suitable for the analytical applications the drain line exits, is a throttle in the drain line present, which represents a flow resistance and the volume exiting the discharge line per unit of time to the desired for the particular application and required constant volume flow of usually 5 μl / h to 100 μl / h.

Als Strömungswiderstand geeignet sind poröse Körper, insbesondere Sinterkörper aus Glas, Metall, Kunststoff oder Keramik, Faserbündel (Dochte), Kapillaren, Bündel von Kapillaren oder definierte Engstellen, die in der Abflussleitung angeordnet werden. Engstellen können z. B. in Glasleitungen erzeugt werden, indem man durch Erhitzen des Glases das Glas im zähflüssigen Zustand teilweise kollabieren lässt, bis nur noch eine kleine Durchtrittsöffnung in dem Rohr vorhanden ist. Auch ist bei gläsernen Abflussleitungen das Ausziehen des Glases zu einer Kapillare möglich.When Resistance to flow are suitable porous bodies, in particular sintered bodies of glass, metal, plastic or ceramics, fiber bundles (wicks), capillaries, bundles of capillaries or defined bottlenecks in the drainage line to be ordered. Bottlenecks can z. B. in glass pipes can be generated by heating the glass in the glass viscous state partially collapses, until only a small passage opening in the pipe is available. Also is with glass drain pipes Extracting the glass to a capillary possible.

Poröse Sinterkörper als Strömungswiderstand können in der Abflussleitung durch Einkleben oder Einschmelzen befestigt werden. Letzteres gilt insbesondere für Sinterglas- und Sinterkeramikkörper in Glasleitungen. Die Sinterkörper haben in der Regel Porengrößen von 0,1 μm bis 20 μm, sie sind käuflich zu erwerben, z. B. bei Produzenten von Filtertiegeln und dergleichen.porous Sintered body as a flow resistance can attached in the drain line by gluing or melting become. The latter applies in particular for sintered glass and Sintered ceramic body in glass pipes. The sintered bodies usually have pore sizes of 0.1 microns to 20 microns, they are available for purchase, z. B. at producers of filter pans and the like.

Faserbündel können aus Glasfasern, natürlichen Fasern, z. B. Cellulose- oder Viskosefasern, oder aus synthetischen Fasern bestehen. Geeignete Materialien für synthetische Fasern sind z. B. Polyamid-, Polyester-, Fluorkohlenstofffasern usw. Die Fasern in Faserbündeln haben in der Regel Durchmesser von < 1 bis 100 μm.fiber bundles may be glass fibers, natural fibers, e.g. As cellulose or viscose fibers, or synthetic fibers consist. Suitable materials for synthetic fibers are z. As polyamide, polyester, fluorocarbon fibers, etc. The Fibers in fiber bundles generally have diameters of <1 to 100 microns.

Die Drossel kann auch durch eine Kapillare oder ein Bündel von Kapillaren gebildet werden, die z. B. in die Abflussleitung eingeklebt werden oder durch ein Bündel von miteinander verschmolzenen, insbesondere aus Glas bestehenden Kapillaren, das in eine gläserne Abflussleitung eingeschmolzen werden kann. Die Anzahl und der Innendurchmesser dieser Kapillaren richtet sich nach dem Druck im Vorratsgefäß und dem gewünschten Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit.The Thrush can also pass through a capillary or a bundle be formed by capillaries, z. B. in the drain line glued or through a bunch of each other fused, in particular made of glass capillaries, in a glass drain pipe can be melted down. The number and the inner diameter of these capillaries depends after printing in the storage vessel and the desired Liquid volume per unit time.

Es ist auch möglich, die gesamte Abflussleitung aus einer Kunststoffkapillare zu bilden. Hier eignen sich als Material für die Kapillare wegen der hohen Bruchsicherheit vor allem Kunststoffe, z. B. FEP (PFEP, Perfluor(Ethylen-Propylen)-Polymer), PAEK (Polyaryletherketon), PEEK (Polyetherketon), ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen). Derartige Kapillaren haben den Vorteil, dass ihre Drosselwirkung durch Kürzen der Kapillare ohne größere Hilfsmittel leicht verringert und den jeweiligen Bedingungen angepasst werden kann.It is also possible, the entire drain pipe from a To form plastic capillary. Here are suitable as material for the capillaries because of their high resistance to breakage, especially plastics, z. B. FEP (PFEP, perfluoro (ethylene-propylene) polymer), PAEK (polyaryletherketone), PEEK (polyether ketone), ETFE (ethylene tetrafluoroethylene). such Capillaries have the advantage of shortening their throttling action the capillary without major aids easily can be reduced and adapted to the respective conditions.

Die Erfindung wird anhand der Abbildung weiter erläutert.The Invention will be further explained with reference to the figure.

Es zeigen:It demonstrate:

1 schematisch ein Vorratsgefäß 1, das aus einem Druckgasbehälter 2 über die Leitung 3 mit Druck beaufschlagt ist. In die Leitung 3 ist ein Druckminderventil 4 eingebaut, mit dem sich der Druck im Gasraum 5 des Vorratsgefäßes 1 auf einen gewünschten Wert von 0,5 bar bis 50 bar einstellen lässt. In dem Vorratsgefäß 1 befindet sich die Reagenzflüssigkeit 6, die über acht Abflussleitungen 7a bis 7h in den Fluidkanal 8 eines Mikrofluidiksystems 9 eingespeist werden. In den Abflussleitungen 7a7h befinden sich Drosseln 10a bis 10h, die einen Strömungswiderstand besitzen, der jeweils dem 100-fachen des Strömungswiderstandes im Mikrofluidiksystem entspricht. Im Mikrofluidikkanal sind nach jeder Einspeisungsstelle Mischstrecken 11a bis 11h angeordnet, die auch einen Strömungswiderstand bilden. Häufig sind die Strömungswiderstände der Mischstrecken vernachlässigbar klein im Vergleich zu den Widerständen der Drosseln 10a–h. 1 schematically a storage vessel 1 that from a compressed gas tank 2 over the line 3 is pressurized. Into the line 3 is a pressure reducing valve 4 installed, with which the pressure in the gas space 5 of the storage vessel 1 to a desired value of 0.5 bar to 50 bar. In the storage vessel 1 is the reagent fluid 6 that have eight drainage pipes 7a to 7h in the fluid channel 8th a microfluidic system 9 be fed. In the drainage pipes 7a - 7h are chokes 10a to 10h , which have a flow resistance which corresponds to 100 times the flow resistance in the microfluidic system. In the microfluidic channel, mixing lines are located after each feed point 11a to 11h arranged, which also form a flow resistance. Frequently, the flow resistances of the mixing sections are negligibly small compared to the resistances of the reactors 10a -H.

Die Verringerung der Fließgeschwindigkeit in den Abflussleitungen 7a bis h ist ausschließlich durch das Verhältnis der Widerstände der Mischstrecken 11a...h im Fluidkanal 8 zu dem der Drosseln 10a...h bestimmt und kann leicht den Verhältnissen angepasst werden. In den meisten Fällen ist eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeiten in den Leitungen von 2%, vorzugsweise weniger als 0,5% tolerabel.The reduction in flow rate in the drain lines 7a to h is exclusively due to the ratio of the resistances of the mixing sections 11a ... h in the fluid channel 8th to that of the throttles 10a ... h and can easily be adapted to the circumstances. In most cases, a reduction in the flow rates in the lines of 2%, preferably less than 0.5% is tolerable.

In dem gezeigten System kann eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit auch durch Kalibration erfasst und kompensiert werden.In the system shown may be a change in flow velocity also be detected and compensated by calibration.

Falls in 1 der Druckbehälter 2 mit einer niedrig siedenden Flüssigkeit gefüllt ist, die bei Raumtemperatur einen geeigneten Sättigungsdampfdruck von bevorzugt 2 bis 6 bar besitzt, kann auf das Reduzierventil 4 verzichtet werden.If in 1 the pressure vessel 2 is filled with a low-boiling liquid, which has a suitable saturated vapor pressure of preferably 2 to 6 bar at room temperature, can on the reducing valve 4 be waived.

2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Hier wird der erforderliche Gasdruck in dem Vorratsbehälter selbst erzeugt. 2 shows another embodiment of the invention. Here, the required gas pressure is generated in the reservoir itself.

Der Vorratsbehälter 20 enthält die Reagenzflüssigkeit 26, über der sich eine spezifisch leichtere Druckerzeugungsflüssigkeit 28, z. B. Butan, befindet. Der freie Gasraum ist mit dem aus der Druckflüssigkeit entwickelten Gas 29 gefüllt, das auf die Reagenzflüssigkeit 26 mit seinem Gleichgewichtsdruck wirkt. Am unteren Ende des Vorratsbehälters 20 ist ein Abflussrohr 21 angeordnet, das mit einem Absperrventil 31 und einer druckfesten Kupplung 32 versehen ist. Die Kupplung 32 ist dichtend mit einem Gegenstück 33 verbunden, das über eine Leitung 34, die ebenfalls ein Absperrventil 35 besitzt, in einen Verteiler 36 mündet, der mit vier Abflussleitungen 27a...d versehen ist. Die Abflussleitungen 27a...d sind mit Drosseln 30a...d versehen und sind an ihrem Ende mit z. B. einer Schlaucholive versehen, um den leichten Anschluss einer (nicht dargestellten) Schlauchleitung zur Einspeisung der Reagenzflüssigkeit in ein Mikrofluidiksystem zu ermöglichen.The storage tank 20 contains the reagent liquid 26 , over which a specifically lighter pressure generating fluid 28 , z. B. butane is located. The free gas space is with the gas developed from the pressure fluid 29 filled on the reagent liquid 26 with its equilibrium pressure acts. At the bottom of the storage tank 20 is a drainpipe 21 arranged with a shut-off valve 31 and a pressure-resistant coupling 32 is provided. The coupling 32 is sealing with a counterpart 33 connected via a line 34 which also has a shut-off valve 35 owns, in a distributor 36 which ends with four drainage pipes 27a ... d is provided. The drainage pipes 27a ... d are with chokes 30a ... d and are at their end with z. B. a Schlaucholive provided to facilitate the easy connection of a (not shown) tubing for feeding the reagent into a microfluidic system.

Diese Ausführungsform ermöglicht einen leichten Austausch der kompletten Einheit Reagenzflüssigkeit/Druckerzeugungssystem und ist besonders einfach zu handhaben. Zur weiteren Vereinfachung können die Absperrventile 31 und 35 automatische Ventile sein, die sich bei dem Ankoppeln des Behälters 20 an den Verteiler 36 automatisch öffnen und bei Lösen der Verbindung schließen.This embodiment allows easy replacement of the entire reagent / pressurization system and is particularly easy to handle. To further simplify the shut-off valves 31 and 35 be automatic valves, resulting in the coupling of the container 20 to the distributor 36 open automatically and close when disconnecting.

Die Drosseln 10a...h bzw. 30a...d müssen nicht notwendigerweise Teil des Verteilersystems sein, vielmehr können die Drosseln auch jeweils in den einzelnen, an das Verteilersystem angeschlossenen Zuführungsleitungen der Reagenzflüssigkeit zu dem Mikrofluidsystem angeordnet sein. Hält man eine größere Menge von Zuführungsleitungen mit integrierter Drossel und definierten ggfls. unterschiedlichen Strömungswiderständen auf Vorrat, kann eine Analyseneinrichtung sehr einfach und flexibel den individuellen Erfordernissen angepasst oder umgerüstet werden.The throttles 10a ... h or 30a ... d need not necessarily be part of the distribution system, but the throttles can also be arranged in each case in the individual, connected to the distribution system supply lines of the reagent to the microfluidic system. If you keep a larger amount of supply lines with integrated throttle and defined if necessary. Different flow resistances in stock, an analysis device can be easily adapted and adapted to individual requirements or retrofitted.

Ferner ist es möglich, eine Kapillare aus gegen das Reagenz und die Probe beständigem Kunststoff zu benutzen, deren Länge so bemessen ist, dass sie die gewünschte Drosselwirkung ausübt. Werden solche Kunststoffkapillaren mit Überlänge geliefert, so können sie sehr einfach durch Kürzen individuell auf die gewünschte Drosselwirkung eingestellt werden.Further It is possible to use a capillary against the reagent and to use the sample resistant plastic, its length is sized so that they have the desired throttle effect exercises. If such plastic capillaries are delivered with excess length, so you can easily by shortening individually be set to the desired throttle effect.

3 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, an der durch Experiment die Flüssigkeitsströme bei konstantem Überdruck im Vorratsgefäß 40 gemessen werden. Als Drosseln werden poröse Keramikstifte 41a...d benutzt, die in die gläsernen Abflussleitungen 42a bis 42d eingeschmolzen sind und eine Porosität von ca. 0,5 μm haben. 3 shows a part of a device according to the invention, the experiment by the liquid flows at a constant overpressure in the storage vessel 40 be measured. As chokes are porous ceramic pins 41a ... d used in the glass drain pipes 42a to 42d are melted and have a porosity of about 0.5 microns.

Die Reagenzflüssigkeit 44 wird über den Stutzen 43 mit einem Überdruck von 1 bar (= absoluter Druck 2 bar) beaufschlagt.The reagent fluid 44 gets over the neck 43 with an overpressure of 1 bar (= absolute pressure 2 bar) acted upon.

4 zeigt die Flüssigkeitsmengen, die pro Zeiteinheit bei einem Überdruck von 1 bar aus den Abflussleitungen 42a...d austraten. Man sieht eine sehr gute Einheitlichkeit der Mengenströme. Durch eine Variation der Länge der Einschmelzung der Keramikstifte 41a...d und des Druckes lassen sich in weiteren Grenzen pulsationsfreie Flüssigkeitsströme erzeugen. Falls die Keramikstifte vollständig in dem Glasrohr eingeschmolzen sind, wie in 1 und 2 gezeigt, wird der Mengenstrom durch Variationen der Länge oder der Porosität des eingeschmolzenen Drosselkörpers, neben einer Variation des Druckes, gesteuert. 4 shows the amounts of liquid per unit time at an overpressure of 1 bar from the drain lines 42a ... d exited. One sees a very good uniformity of the flow rates. By varying the length of the melting of the ceramic pins 41a ... d and the pressure can be generated in other limits pulsation-free liquid flows. If the ceramic pins are completely sealed in the glass tube, as in 1 and 2 As shown, the flow rate is controlled by variations in the length or porosity of the melted throttle body, besides a variation in pressure.

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Claims (14)

Vorrichtung zur Erzeugung konstanter pulsationsfreier Flüssigkeitsströme für Mikrofluidikanwendungen bestehend aus einem eine Reaktionsflüssigkeit enthaltenden Vorratsbehälter (1), der mit einem Druckgas (5) mit konstantem Gasdruck beaufschlagt ist und der mit wenigstens einer Abflussleitung (7a...h) für den Strom der Reaktionsflüssigkeit (6) gegebenenfalls lösbar verbunden ist, wobei in der Abflussleitung eine Drossel (10a...h) mit bekanntem Strömungswiderstand angeordnet ist, durch die die Menge der pro Zeiteinheit durch die Abflussleitung (7a...h) strömenden Reaktionsflüssigkeit bestimmt ist.Device for generating constant pulsation-free liquid flows for microfluidic applications consisting of a reservoir containing a reaction liquid ( 1 ), which with a compressed gas ( 5 ) is acted upon by constant gas pressure and with at least one drain line ( 7a ... h) for the flow of the reaction liquid ( 6 ) is optionally releasably connected, wherein in the drain line a throttle ( 10a h) is arranged with known flow resistance, by which the amount of per unit time through the drain line ( 7a ... h) flowing reaction liquid is determined. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mittels einer Gasleitung (3) mit einer externen Druckgasquelle (2) verbunden ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the container by means of a gas line ( 3 ) with an external compressed gas source ( 2 ) connected is. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasquelle aus einer bei Raumtemperatur verdampfenden Flüssigkeit besteht, deren mit der flüssigen Phase im Gleichgewicht stehenden Gasphase das Druckgas bildet.Device according to Claim 1 or 2, characterized that the compressed gas source evaporates from a room temperature at room temperature Liquid exists, whose with the liquid phase in equilibrium gas phase forms the compressed gas. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Druckgas erzeugende verdampfende Flüssigkeit (28) sich in dem die Reaktionsflüssigkeit (26) enthaltenden Vorratsbehälter (20) befindet.Apparatus according to claim 3, characterized in that the evaporating liquid generating the compressed gas ( 28 ) in which the reaction liquid ( 26 ) reservoir ( 20 ) is located. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand der Drossel (10a...h) bis zu 1000-mal, insbesondere 100 bis 500-mal größer ist als der Strömungswiderstand der Flüssigkeit in dem Mikrofluidiksystem (9) in Strömungsrichtung gesehen hinter der Drossel (10a...h).Device according to claim 1, characterized in that the flow resistance of the throttle ( 10a h) is up to 1000 times, in particular 100 to 500 times larger than the flow resistance of the liquid in the microfluidic system ( 9 ) in the flow direction behind the throttle ( 10a ...H). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel aus einer oder mehreren Kapillaren, einem Faserbündel oder aus einem feinporigen Körper besteht.Device according to claim 1, characterized in that that the choke consists of one or more capillaries, a fiber bundle or consists of a fine-pored body. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren oder Fasern aus Glas, einem gegen die Flüssigkeit inerten Kunststoff oder aus Metall bestehen.Device according to claim 6, characterized in that that the capillaries or fibers are made of glass, one against the liquid inert plastic or metal. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der feinporige Körper aus gesintertem Glas oder einem gegen die Flüssigkeit inerten Kunststoff- oder Metallkörper besteht.Device according to claim 6, characterized in that that the fine-pored body of sintered glass or a against the liquid inert plastic or metal body consists. Verfahren zur Erzeugung konstanter pulsationsfreier Flüssigkeitsströme für Mikrofluidikanwendungen dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Vorratsbehälter befindliches Flüssigkeitsvolumen einer Reaktionsflüssigkeit mit einem Druckgas mit konstantem Druck beaufschlagt wird und die Menge der pro Zeiteinheit durch eine oder mehrere Abflussleitungen aus dem Vorratsbehälter strömenden Reaktionsflüssigkeit durch eine in der jeweiligen Abflussleitung angeordneten Drossel mit bekanntem Strömungswiderstand bestimmt wird.Method for generating constant pulsation-free Fluid streams for microfluidic applications characterized in that a in a reservoir located liquid volume of a reaction liquid is pressurized with a pressurized gas at a constant pressure and the Amount of per unit time by one or more drain lines from the reservoir flowing reaction liquid by a throttle arranged in the respective outflow line is determined with known flow resistance. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas durch Verdampfen einer niedrig siedenden Flüssigkeit erzeugt wird und der konstante Druck dem Sättigungsdampfdruck über der Flüssigkeit entspricht.Method according to claim 9, characterized in that that the compressed gas by evaporation of a low-boiling liquid is generated and the constant pressure to the saturation vapor pressure over corresponds to the liquid. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrig siedende Flüssigkeit in dem das Flüssigkeitsvolumen enthaltenden Behälter verdampft wird.Method according to claim 10, characterized in that that the low-boiling liquid in which the liquid volume containing container is evaporated. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Drossel verwendet, deren Strömungswiderstand 10-mal bis 1000-mal, insbesondere 100 bis 500-mal größer ist als der Strömungswiderstand in Strömungsrichtung gesehen hinter der Drossel.Method according to claim 9, characterized in that that one uses a throttle whose flow resistance 10 times to 1000 times, especially 100 to 500 times larger is the flow resistance in the flow direction seen behind the throttle. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Drossel verwendet, die aus einer oder mehreren Kapillaren, einem Faserbündel oder einem feinporigen Körper besteht.Method according to claim 9, characterized in that that one uses a choke consisting of one or more capillaries, a fiber bundle or a fine-pored body consists. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Drossel verwendet, die aus einer oder mehreren Kapillaren oder Fasern aus Glas, Metall oder Kunststoff oder einem feinporigen Körper aus Sinterglas, Keramik, Metall oder Kunststoff besteht.Method according to claim 13, characterized in that that one uses a choke consisting of one or more capillaries or fibers of glass, metal or plastic or a fine-pored body made of sintered glass, ceramic, metal or plastic.
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